L'oscilloscopio è uno strumento di misura elettronico che, nella modalità di funzionamento più diffusa, consente di visualizzare, su un grafico bidimensionale, l'andamento nel dominio del tempo dei segnali elettrici ed effettuare misure a lettura diretta di tensione (rappresentata sull'asse verticale) e periodo (con il tempo rappresentato sull'asse orizzontale).
Per mezzo di un oscilloscopio analogico è possibile ricavare la misura di grandezze quali corrente, potenza ed energia del segnale, mentre un oscilloscopio digitale, grazie alla possibilità di memorizzare una forma d'onda campionata, permette di effettuarne una lettura diretta per mezzo di calcoli sui campioni in memoria. Generalmente l'oscilloscopio si utilizza per analizzare segnali periodici.
La frequenza massima dei segnali visualizzabili, così come la risoluzione temporale, ovvero la più rapida variazione rilevabile, dipende dalla banda passante dello strumento, a sua volta dipendente dalla qualità e in ultima analisi dal costo. Si spazia dalle decine di MHz adatti per lavorare con segnali audio e televisivi, ai costosi modelli digitali da diversi GHz. Può essere considerato uno strumento universale. Tramite opportuni trasduttori, si può analizzare qualsiasi fenomeno fisico, anche eventi casuali e non ripetitivi.
Introduzione
Un oscilloscopio classico è normalmente costituito da una scatola rettangolare su cui è presente uno schermo e numerose manopole e pulsanti di comando. Allo schermo è sovrapposto un reticolo allo scopo di favorire la lettura dei dati. Ogni intervallo del reticolo è chiamato divisione: sull'asse orizzontale le divisioni sono solitamente 10, sull'asse verticale variano da 6 in su, dipendentemente dalla geometria dello schermo. Questa modalità costruttiva è rimasta invariata per decenni fino all'avvento degli oscilloscopi digitali dotati di microprocessore, e di conseguenza in grado di installare a bordo veri e propri sistemi operativi i quali, uniti alla tecnologia degli schermi sensibili al tocco, hanno cambiato radicalmente l'aspetto e l'operatività di questo strumento.
I segnali da misurare o analizzare vengono prelevati tramite appositi connettori coassiali presenti sul pannello, la loro tipologia standardizzata varia in base alla frequenza del segnale in analisi, da BNC adatto per frequenze relativamente basse, o tipo N, utilizzato quando le frequenze in gioco sono più elevate, fino al tipo SMA, SMB ed altri, adatti a veicolare segnali con frequenze dell'ordine delle decine di GHz. Ai connettori d'ingresso possono essere collegate le sonde, accessori particolari usati per prelevare segnali dai circuiti studiati.
In modalità semplice, un punto luminoso percorre lo schermo da sinistra a destra a velocità costante, ridisegnando ripetutamente una linea orizzontale. La velocità di scansione è selezionabile per mezzo di una manopola presente sul pannello, la quale comanda il circuito chiamato base dei tempi: questo circuito genera precisi intervalli di tempo, che possono spaziare da pochi secondi a qualche nanosecondo; i valori, espressi in unità di tempo per divisione, sono riportati sulla manopola.
In assenza di segnale, la traccia è solitamente al centro dello schermo, e l'applicazione di un segnale all'ingresso, provoca la deflessione verso l'alto o verso il basso, in funzione dalla polarità del segnale. La scala verticale è espressa in volt per divisione e può essere regolata da decine a millesimi di volt (sono comunque disponibili modelli in grado di effettuare misure dell'ordine dei microvolt). L'altezza iniziale del grafico (offset) può comunque essere decisa dall'utente, così come è possibile escludere la componente in corrente continua presente nel segnale in esame, nonché scegliere l'impedenza di ingresso.
In questo modo si ottiene la visualizzazione di un grafico di tensione in funzione del tempo. Se il segnale è periodico, è possibile ottenere una traccia stabile regolando la base dei tempi in modo da coincidere con la frequenza del segnale o un suo sottomultiplo. Per esempio, se si ha in ingresso un segnale sinusoidale a 50 Hz, si può regolare la base dei tempi in modo che una scansione orizzontale avvenga in 20 millisecondi. Questo sistema è chiamato "sweep" continuo (in italiano "spazzata continua", nel senso di continuità di una funzione). L'oscillatore della base dei tempi, non essendo sincronizzato con il segnale in analisi, impedisce di avere la traccia del segnale stabile e ferma, perciò questa, la si vedrà fluttuare sullo schermo più o meno velocemente da destra a sinistra o viceversa.
Per ottenere una traccia stabile gli oscilloscopi moderni dispongono di una funzione chiamata trigger (innesco): questo circuito, inventato nel 1946 dai due fondatori della società Tektronix, fa partire la scansione solo in corrispondenza del verificarsi di un evento sul segnale in ingresso, per esempio il superamento di una soglia di tensione positiva o negativa. Dopo avere completato la scansione da sinistra a destra, l'oscilloscopio rimane in attesa di un nuovo evento. In questo modo la visualizzazione rimane sincronizzata al segnale e la traccia è perfettamente stabile. La soglia di sensibilità del trigger, così come altri parametri, è regolabile dall'utente. Il circuito del trigger può essere configurato per mostrare una sola scansione di un segnale non periodico, come un singolo impulso o sequenze di impulsi non ripetitivi. È possibile introdurre un ritardo tra l'evento e l'inizio della visualizzazione, in modo da analizzare parti del segnale che altrimenti sarebbero fuori dal campo di visualizzazione.
Le modalità di trigger normalmente presenti sono: trigger esterno: con un segnale applicato ad un apposito ingresso ed indipendente da quello analizzato. trigger a soglia: basato sul superamento di un livello prefissato, in salita oppure in discesa. trigger video: è uno speciale circuito che estrae i riferimenti di sincronismo di riga o di quadro dal segnale televisivo. Utile per lavorare con segnali video. trigger sulla rete elettrica: disponibile negli oscilloscopi alimentati dalla rete in corrente alternata. È utile in elettrotecnica.
Può però capitare che il segnale non soddisfi mai le condizioni di trigger e lo schermo rimane buio, rimanendo quindi senza informazione su quello che sta accadendo. In tal caso è possibile usare l'auto-trigger, regolabile generalmente con il comando "GATE", il quale può essere impostato a: normal: in assenza di trigger, lo schermo resta nero. auto: trascorso un certo periodo di tempo dall'ultima visualizzazione, la traccia parte senza sincronizzazione. single (detto anche one-shot o single sweep): ogni singolo sweep dev'essere abilitato mediante un comando esterno (tasto o segnale). Un altro controllo, per quanto riguarda i trigger, è lhold-off, ovvero il "trattenimento" del trigger. Esso permette di fissare un tempo, successivo allo spazzolamento, in cui il verificarsi della condizione di trigger è ignorata. Risulta utile in particolari situazioni, ad esempio quando si vuole visualizzare una traccia in cui il trigger viene soddisfatto due o più volte, in un unico periodo.
Molti oscilloscopi permettono di escludere la base dei tempi e fornire all'asse orizzontale un segnale esterno: è la modalità X-Y, utile per visualizzare le relazioni di fase tra due segnali in ambito radiotelevisivo. Applicando due segnali sinusoidali in rapporto armonico di frequenza agli ingressi, sullo schermo vengono visualizzate particolari figure, chiamate figure di Lissajous, con le quali è possibile conoscere i rapporti di fase e di frequenza tra essi.
Alcuni oscilloscopi hanno sullo schermo dei cursori che possono essere spostati ed utilizzati per misurare con precisione intervalli di tempo o differenze di potenziale.
Molti oscilloscopi hanno due o più ingressi verticali, consentendo di visualizzare diversi segnali contemporaneamente. Le regolazioni verticali sono separate mentre la base dei tempi ed il trigger è comune.
Per visualizzare diversi segnali contemporaneamente, da diversi canali in ingresso, si possono adottare principalmente due soluzioni: si costruisce un oscilloscopio con la possibilità di disegnare contemporaneamente due o più tracce. si utilizza lo stesso punto luminoso per visualizzare le due tracce (o più di due). Il secondo caso può essere realizzato in modalità alternate o in modalità chopped.
Supponendo che vi siano due tracce A e B, con la modalità alternate viene visualizzata alternativamente una scansione la traccia A e l'altra scansione la traccia B. Tale modo è utile per visualizzare segnali a frequenza elevata, poiché più è alta la frequenza e meno si nota l'alternanza delle tracce. Con una frequenza altissima ci si potrebbe illudere che le due tracce siano visualizzate esattamente allo stesso istante temporale.
Con la modalità chopped sono invece visualizzate alternativamente piccolissime porzioni dei due segnali A e B. Essa è utile per visualizzare segnali a bassa frequenza, sebbene i due segnali non vengano visualizzati sullo schermo in modo continuo. Questo perché essendo bassa la frequenza, la modalità alternate le visualizzerebbe troppo lentamente per far sì che sembrino sullo stesso schermo contemporaneamente.
Esistono modelli con doppio trigger, che permettono di visualizzare un segnale con una base dei tempi diversa. In questo modo è possibile avere la modalità zoom, in cui una porzione del segnale mostrato su una traccia può essere mostrato espanso sull'altra traccia.
Per analizzare eventi non ripetitivi alcuni oscilloscopi sono dotati di memoria di traccia, un sistema che mantiene visualizzata l'ultima traccia apparsa. In alcuni modelli digitali la scansione può durare ore, e la traccia visualizzata scorre sullo schermo da destra a sinistra come avverrebbe in un registratore su striscia di carta.
Normalmente ogni oscilloscopio è dotato di un circuito chiamato calibratore, il quale genera costantemente un segnale, costituito da un'onda quadra di ampiezza e frequenza nota. Collegando l'ingresso di misura all'uscita del calibratore è possibile controllare il funzionamento e fare pratica con lo strumento, ma soprattutto eseguire saltuariamente l'operazione di compensazione delle sonde (che sono dotate di un trimmer capacitivo di compensazione).
Funzionamento Oscilloscopio a tubo catodico (monitor vettoriale)
Concettualmente, l'oscilloscopio a tubo catodico, è costituito da 4 circuiti elettronici distinti: amplificatore verticale, amplificatore orizzontale, base dei tempi e alimentatore di corrente. Questa tipologia costruttiva definita "analogica", è rimasta invariata fino alla metà degli anni ottanta, quando iniziarono a diffondersi tecniche digitali applicabili anche a questo strumento; agli oscilloscopi "Analogici" si affiancarono quelli "Digitali", che avvantaggiati da migliori prestazioni e minori costi di produzione, in 2 decenni soppiantarono gli analogici, basti pensare che il solo tubo catodico a memoria del 181A Hewlett-Packard in uso negli anni '70, come parte di ricambio, costava, $3000.